基于ATLAS新型硅磁敏三極管特性仿真研究

趙曉鋒，溫殿忠，潘東陽，王志強(qiáng)，修德軍

（黑龍江大學(xué)a.黑龍江省普通高等學(xué)校電子工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150080）

0 引 言

20世紀(jì)70年代，采用合金燒結(jié)工藝制作立體結(jié)構(gòu)鍺磁敏三極管［1－2］，該器件具有正反磁靈敏度。在單晶硅片上制作具有矩形板狀立體標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的硅磁敏三極管一直未能實(shí)現(xiàn)。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，2003年黑龍江大學(xué)敏感技術(shù)研究所采用KOH硅各向異性腐蝕技術(shù)在高阻單晶硅片上制作完成矩形板狀立體結(jié)構(gòu)的新型硅磁敏三極管。通過特性測(cè)試，該新型硅磁敏三極管的集電極電流相對(duì)磁靈敏度較高，最大可達(dá)227%／T，具有負(fù)溫度系數(shù)且溫度系數(shù)較?。?－6］。

本文在分析新型硅磁敏三極管基本結(jié)構(gòu)、工作原理和特性基礎(chǔ)上，通過采用Silvaco的ATLAS軟件建立新型硅磁敏三極管仿真結(jié)構(gòu)模型，研究基區(qū)寬度、復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其特性的影響，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)新型硅磁敏三極管優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 新型硅磁敏三極管結(jié)構(gòu)和工作原理

采用MEMS技術(shù)在p型高阻（ρ≥100Ω· cm）＜100＞晶向單晶硅片表面制作具有矩形板狀立體結(jié)構(gòu)［3］的n＋pn＋型硅磁敏三極管，圖1給出新型硅磁敏三極管的基本結(jié)構(gòu)模型，B為外加磁場(chǎng)。

圖1 n＋pn＋型硅磁敏三極管結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure model of n＋pn＋silicon magnetic sensitive transistor

圖2給出新型硅磁敏三極管在外加磁場(chǎng)作用下載流子偏轉(zhuǎn)。當(dāng)外界磁場(chǎng)B加于磁敏三極管，載流子在洛侖茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)。圖2（a）、（b）、（c）分別給出新型硅磁敏三極管在共發(fā)射偏置時(shí)，在B＝0T、B＞0T、B＜0T時(shí)硅磁敏三極管載流子在洛侖茲力下的偏轉(zhuǎn)情況。

當(dāng)B＝0T時(shí)，如圖2（a）所示，e－i－b是n＋－i－p＋型長(zhǎng)基區(qū)硅磁敏二極管，從發(fā)射極e注入的電子，一小部分被輸運(yùn)到集電極，形成集電極電流Ic。而大部分受橫向電場(chǎng)的作用，與基極注入的空穴復(fù)合，即形成基極電流Ib。

當(dāng)B＞0T時(shí)，如圖2（b）所示，e－i－b作為n＋－i－p＋型長(zhǎng)基區(qū)硅磁敏二極管，在外加磁場(chǎng)且B＞0T時(shí)，發(fā)射極注入的電子和基極注入的空穴受到洛侖茲力的作用，載流子向發(fā)射極e一側(cè)偏轉(zhuǎn)，大部分在基區(qū)復(fù)合掉，使載流子有效壽命減小，致使有效擴(kuò)散長(zhǎng)度減小，基區(qū)內(nèi)壓降增大，n＋－i和p＋－i結(jié)壓降減小，使載流子輸運(yùn)到集電結(jié)的數(shù)量減小。故集電極電流Ic減小。

當(dāng)B＜0T時(shí)，如圖2（c），e－i－b作為n＋－i－p＋型長(zhǎng)基區(qū)磁敏二極管，在外加磁場(chǎng)且B＜0T時(shí)，發(fā)射極注入的電子和基極注入的空穴受到洛侖茲力的作用，載流子向集電極c一側(cè)偏轉(zhuǎn)，由于表面處復(fù)合速率小，使載流子有效壽命增加，致使有效擴(kuò)散長(zhǎng)度變長(zhǎng)，基區(qū)內(nèi)壓降減小，n＋－i和p＋－i結(jié)壓降增加，使集電極收集的載流子數(shù)目增多。故集電極電流增加。新型硅磁敏三極管集電極電流Ic隨外加磁場(chǎng)B變化，具有正、反向磁靈敏度，而且有確定的磁敏感表面，磁場(chǎng)必須與之垂直，才有最大的磁靈敏度。

2 新型硅磁敏三極管特性研究

本文采用BJ－4814半導(dǎo)體管特性測(cè)試儀對(duì)新型硅磁敏三極管樣品進(jìn)行伏安特性測(cè)試，圖3（a）、（b）、（c）分別給出新型硅磁敏三極管在外加磁場(chǎng)B＝0T、B＞0T、B＜0T時(shí)的伏安特性，其中Vce為硅磁敏三極管發(fā)射極與集電極電壓，1V／每格；Ic為硅磁敏三極管集電極電流，1mA／每格。結(jié)果表明，當(dāng)B＞0T時(shí)，集電極電流變小；當(dāng)B＜0T時(shí)，集電極電流變大，該新型硅磁敏三極管具有正、反向磁靈敏度。

3 新型硅磁敏三極管特性仿真研究

3.1 仿真模型建立

采用Silvaco的ATLAS仿真軟件建立新型硅磁敏三極管仿真結(jié)構(gòu)模型，研究基區(qū)寬度、復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度等不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)硅磁敏三極管特性的影響。圖4為新型硅磁敏三極管的模擬仿真結(jié)構(gòu)圖。

圖4 采用ATLAS新型硅磁敏三極管仿真模型Fig.4 Simulation model of new silicon magnetic transistor on the base of ATLAS

3.2 新型硅磁敏三極管Ic－Vce特性仿真

3.2.1 基區(qū)寬度對(duì)Ic－Vce特性影響

圖5（a）、（b）、（c）和（d）分別給出復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度為120μm，基區(qū)寬度w分別為40、30、20 μm和10μm時(shí)，溫度為300K、外加磁場(chǎng)B＝0T，基極注入電流Ib為不同值時(shí)Ic－Vce特性仿真曲線。仿真結(jié)果表明，當(dāng)基區(qū)寬度w和外加偏壓Vce恒定時(shí)，隨基極注入電流Ib增加，集電極電流Ic增加；當(dāng)外加偏壓Vce和基極注入電流Ib恒定時(shí)，基區(qū)寬度w減小，集電極電流放大倍數(shù)增加且集電極電流出現(xiàn)不飽和現(xiàn)象。

3.2.2 復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度對(duì)Ic－Vce特性影響

圖6（a）、（b）、（c）分別給出基區(qū)寬度為30 μm，復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度L分別為80、120、160μm時(shí)，溫度為300K、外加磁場(chǎng)B＝0T，基極注入電流Ib為不同值時(shí)Ic－Vce特性仿真結(jié)果。結(jié)果表明，當(dāng)復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度L和外加偏壓Vce恒定時(shí)，隨基極注入電流Ib增加，集電極電流Ic增加；當(dāng)外加偏壓Vce和基極注入電流Ib恒定時(shí)，復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度L增加，集電極電流放大倍數(shù)減小。

3.3 新型硅磁敏三極管磁特性仿真

3.3.1 基區(qū)寬度對(duì)磁特性影響

圖7（a）、（b）和 （c）分別給出復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度為120μm，基區(qū)寬度w為40、30μm和20μm時(shí)，基極注入電流Ib為5mA，外加磁場(chǎng)B＝0T、B＝±0.3T和B＝±0.5T時(shí)，新型硅磁敏三極管的Ic－Vce特性仿真結(jié)果。仿真結(jié)果給出，在基極注入電流恒定時(shí)，隨外加正向磁場(chǎng)增加，集電極電流逐漸減小，隨外加反向磁場(chǎng)增加，集電極電流逐漸增加，新型硅磁敏三極管仿真結(jié)構(gòu)模型具有正反向磁靈敏度，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在基極注入電流相同時(shí)，隨基區(qū)寬度減薄，正反向磁靈敏度增加，但集電極電流出現(xiàn)不飽和現(xiàn)象。

3.3.2 復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度對(duì)磁特性影響

圖8（a）、（b）和（c）分別給出基區(qū)寬度w為30μm，復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度為80、120μm和160μm時(shí)，基極注入電流Ib為5mA，外加磁場(chǎng)B＝0T、B＝±0.3T和B＝±0.5T時(shí)，新型硅磁敏三極管的Ic－Vce特性仿真結(jié)果。仿真結(jié)果給出，在基極注入電流恒定時(shí)，隨外加正向磁場(chǎng)增加，集電極電流逐漸減小，隨外加反向磁場(chǎng)增加，集電極電流逐漸增加，新型硅磁敏三極管仿真結(jié)構(gòu)模型具有正反向磁靈敏度，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在基極注入電流相同時(shí)，復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度為160μm時(shí)，正反向磁靈敏度最大。

3.4 新型硅磁敏三極管溫度特性仿真

對(duì)基區(qū)寬度為30μm、復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度為120 μm新型硅磁敏三極管仿真結(jié)構(gòu)模型，當(dāng)外加磁場(chǎng)B＝0T，復(fù)合基極注入電流Ib＝5mA，采用ATLAS對(duì)新型硅磁敏三極管進(jìn)行溫度特性仿真，圖9給出新型硅磁敏三極管溫度特性仿真結(jié)果，結(jié)果表明，隨著溫度升高，集電極電流Ic減小，集電極電流Ic具有負(fù)溫度系數(shù)。

圖9 新型硅磁敏三極管溫度特性仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of the new type silicon magnetic sensitive transistor temperature characteristics

4 結(jié) 論

本文通過分析新型硅磁敏三極管基本結(jié)構(gòu)、工作原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用ATLAS軟件建立新型硅磁敏三極管仿真結(jié)構(gòu)模型，研究基區(qū)寬度、復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)新型硅磁敏三極管I－V特性、磁電特性和溫度特性的影響。仿真結(jié)果表明：

1）在T＝300K、B＝0T時(shí)，復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度和基極注入電流一定時(shí)，基區(qū)寬度w減薄，集電極電流放大倍數(shù)增加且出現(xiàn)不飽和現(xiàn)象；基區(qū)寬度和基極注入電流一定時(shí)，復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度減小，集電極電流放大倍數(shù)增加。

2）在T＝300K、B≠0T時(shí)，新型硅磁敏三極管具有正反向磁靈敏度，復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度一定和基極注入電流一定時(shí)，基區(qū)寬度w減薄，正反向磁靈敏度增加。

3）新型硅磁敏三極管集電極電流具有負(fù)溫度系數(shù)。

通過仿真研究，給出影響新型硅磁敏三極管特性的主要因素，為實(shí)現(xiàn)新型硅磁敏三極管優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

［1］黃得星.長(zhǎng)基區(qū)晶體管的磁敏感效應(yīng) ［J］.半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，1982，3（4）：319－327.

［2］黃得星.磁敏感器件及其應(yīng)用 ［M］.北京：科學(xué)出版社，1987：146－159.

［3］溫殿忠，穆長(zhǎng)生，趙曉鋒.采用MEMS技術(shù)制造硅磁敏三極管［J］.傳感器技術(shù)，2001，20（5）：49－52.

［4］趙曉鋒，溫殿忠.基于MEMS技術(shù)新型硅磁敏三極管負(fù)阻－振蕩特性［J］.半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2005，（6）：1 214－1 217.

［5］Dianzhong Wen.A new measurement circuit of magneto－transistor formed on a SOI Substrate［J］.Journal of Electron Devices，2006，29（3）：609－612.

［6］Zhao Xiaofeng，Wen Dianzhong.Fabrication–technology research of new type silicon magnetic－sensitive transistor［J］.RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING，2006，35（12）：492－494.

［7］Dianzhong Wen.Sensitivity analysis of junction field effect－pressure Halltron［J］.RECIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS，1995，66（1）：251－255.

［8］溫殿忠.P＋－I－N＋器件壓磁電效應(yīng)的研究 ［J］，傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，1996，（6）：10－15.

［9］溫殿忠，黃得星，張喜勤，等.磁敏感元器件與磁傳感器［M］.哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，2003：150－154.